DE1930116C - Elektrochemische Zelle, insbesondere Brennstoffelement, mit Elektroden aus pulverförmigem, gegebenenfalls mit Bindemitteln verfestigtem Katalysatormaterial und gleichmäßiger Porenstruktur - Google Patents

Description

den Elektroden durch ein oder mehrere Netze (50, 20 grenzt werden können.
51, 52, 53) aus Metallen und/oder Kunststoffen Es hat sich nun gezeigt, daß in derartigen eiektro-

getrennt sind. chemischen Zellen der auf die einzelnen Flächenele-

2. Batterie aus mehreren elektrochemischen mente der pulverförmigen Elektroden ausgeübte Zellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. Druck unterschiedlich ist. Dies wird vor allem auf die daß die Druckkissen (4) jeweils zwischen Gruppen 25 durch den Preßdruck bedingte Verformung der (5, 6, 7) aus mehreren elektrochemischen Zellen Druckplatten zurückgeführt und hat zur Folge, daß angeordnet sind. die Porenstruktur der pulverförmigen Katalysator-

3. Batterie aus zwei oder mehreren elektroche- elektorden ungleichmäßig ist.

mischen Zellen nach Anspruch 1, dadurch ge- Aufgabe der Erfindung ist es, die bei pulverförmi-

kennzeichnet, daß die Druckkissen (2) jeweils am 30 gen Elektroden infolge des unterschiedlichen Preß-Batterieende angeordnet sind. druckes auftretenden Schwierigkeiten zu vermeiden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Mittel zum Zusammenpressen aus mit Gas oder Flüssigkeit gefüllten Druckkissen bestehen, die jeweils an der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Elektroden angeordnet und von den Elektroden durch ein oder mehrere Netze aus Metallen und/oder Kunststoffen getrennt sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntis zugrunde, daß in elektrochemischen Zellen mit pulverförmigen Elektroden die Strom-Spannungs-Kennlinien von der Porenstruktur der Elektroden beeinflußt werden und damit vom Preßdruck abhängig sind.

Preßt man in der üblichen Weise in einer Halbzel-

4. Verfahren zum Betrieb von elektrochemischen Zellen oder Batterien nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium, insbesondere die Druckflüssigkeit, durch die Druckkissen im Kreislauf geführt wird.

Die Erfinvlung betrifft elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffelemente, und -batlerien mit Elektroden aus pulverförmigem, gegebenenfalls mit Bindemitteln verfestigtem Katalysatormaterial und gleichmäßiger Porenstruktur, welche durch ein mit flüssigem Elektrolyten gefülltes und beidseitig mit so einer flüssigkeitsdurchlässigen, gasdichten Membran versehenes Stützgerüst oder durch eine Membran eines Ioncnaustauscherharzes getrennt sind, und Mitteln zum Zusammenpressen der Anordnung, sowie ein Verfahren zum Betrieb von elektrochemischen Zellen oder Batterien.

Aus der schweizerischen Patentschrift 410081 sowie der britischen Patentschrift 966407 sind mit federnden Bauteilen versehene Platten für Brennstoffelemente bekannt, die insbesondere dazu dienen, an den Gasseiten der Elektroden einen möglichst guten elektrischen Kontakt herzustellen, ohne die Gaszufuhr zu den Elektroden zu verhindern.

Die Herstellung elektrochemischer Zellen mit Elektroden aus pulverförmigem Katalysatormaterial erfolgt gewöhnlich in der Weise, daß man zu beiden Seiten eines porösen, zur Aufnahme des flüssigen Elektrolyten vorgesehenen und in einem Zellrahmen aus lenmeßanordnung mittels Druckplatten und Zugbolzen eine Elektrode aus pulverförmigem Raney-Nickel und mißt an verschiedenen Punkten der Elcktrodcnfläche bei 20 C das Potential gegen eine Hg/HgO-Bezugselektrode, so stellt man fest, daß der Potcntialabfall in der Milte der Elektrode am größten ist und zum Rand der Elektrode hin abnimmt. Die Fläche der Elektrode betrug hierbei 660 cm². Als Elektrolyt wurde 6 η KOH verwendet.

Die F i g. 1 zeigt die Lage der Meßstcllen auf der einen Hälfte der Elektrodenfläche, wobei die Meßpunkte innerhalb einer Meßreihe durch das gleiche Zeichen wiedergegeben sind. In F i g. 2 ist jeweils das Potential einer Meßreihe über die Breite der Elektrode aufgetragen.

Um bei den nach bekannten Verfahren hergestellten elektrochemischen Zellen auf jedem Flächenelement den gleichen Preßdruck einzustellen, sollten zunächst Druckplatten als Mittel zum Zusammenpressen verwendet werden, die bei den gewünschten Preßdrücken nur eine sehr geringe Durchbiegung, etwa 0,1 mm, zeigen. Wie sich jedoch herausgestellt hat, werden Brennstoffelementbatterien wegen der hierzu erforderlichen Dicke der aus Metallen oder Kunststof-

fen bestehenden Druckplatten hinsichtlich ihres Leistungsgewichtes bzw. Leistungsvolumens ungünstig beeinflußt

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden nun die aufgezeigten Schwierigkeiten bei der Durchführung von elektrochemischen Reaktionen ^;n einer elektrochemischen Zelle oder in einer aus zwei oder mehreren elektrochemischen Zellen bestehenden Batterie in überraschend einfacher Weise dadurch beseitigt, daß das Katalysatormaterial mit Hilfe der Druckkissen hydro- oder aerostatisch zusammengepreßt wird.

In F i g. 3 sind, wie in F i g. 2, die an einer pulverförmigen Elektrode aus Raney-Nickel gemessenen Potentialwerte über der Elektrodenbreile aufgetragen. Zum Unterschied von der in F i g. 2 eingesetzten Elektrode wurde die pulverförmige Raney-Nikkel-Elektrode gemäß der Erfindung hydrostatisch gepreßt. Wie die F i g. 3 zeigt, ist das Potential bei dieser Elektrode wie der Preßdruck über die Fläche konstant, wobei die beobachteten Schwankungen im Bereich der Meßgenauigkeit von 5 mV liegen.

Nach der einfachsten Ausführungsform der Erfindung werden bei dem neuen Verfahren Behälter — nachfolgend als Druckkissen bezeichnet — mit eventuell ein oder zwei Öffnungen an den Enden einer Batterie aus zwei oder mehreren elektrochemischen Zellen vor den Endplatten angeordnet. Hierbei ist es zweckmäßig, die Druckkissen in Hohlräumen der Endplatten anzubringen. Die Druckkissen haben zweckmäßigerweise die gleiche Größe wie die zu pressenden Elektrodenflächen und bestehen aus gegenüber den Elektrolyten beständigen Metall- oder Kunststoffolien.

Die eben beschriebene Batterie ist in Fig.4 schematisch wiedergegeben. Hierbei werden mit 1 die Endplatten, mit 2 die Druckkissen und mit 3 die Brennstoffelemente bezeichnet.

Fig. 5 zeigt eine Batterie, in der die gas- oder flüssigkeitsgefüllten Druckkissen 4 jeweils vor bzw. nach den Gruppen 5, 6 und 7 von Brennstoffelementen *o angeordnet sind. Die Bezugsziffer 8 gibt die Endplatten der Batterie wieder.

In der in Fig. 6 schematisch wiedergegebenen Batterie ist ein Druckkissen 9 hinter jedem Brennstoffelement 10 angeordnet.

Ob die Druckkissen hinter jeder elektrochemischen Zelle oder nur nach Gruppen von Zellen oder an den Batterieenden eingebaut werden, hängt vor allem von dem Katalysatormaterial sowie den übrigen Bestandteilen der Zelle, wie Stützgerüst und Abstandsnetz, ab.

Die Verfestigung des Katalysatorpulvers kann in an sich bekannter Weise erfolgen, beispielsweise durch Mischung des pulverförmigen Katalysatormaterials mit Kunststoffpulver oder Kunststoffdispersionen. Das Verkleben der Teilchen kann beim Zusammenpressen der elektrochemischen Zelle selbst oder in einem gesonderten Preßvorgang geschehen.

Wie aus den Fig.7 und 8, in welchen die Abhängigkeit des Potentials vom Preßdruck aufgetragen ist. zu ersehen ist, erreicht das Potential bei einem Druck von etwa 5 kp/cm² einen konstanten Wert, d. h. durch weiteren Druckanstieg kann die Belastbarkeit der Elektrode nicht mehr verbessert werden.

Die in Fi g. 7 gezeigte Kurve wurde in einer HaIbzellenanordnung in 6 η KOH bei 65 C aufgenommen. Die Elektrode bestand hierbei aus geschüttetem Raney-Silber und wurde gemäß der Erfindung hydrostatisch gepreßt. Die Stromdichte betrug 80 itiA/cm*, und als Bezugselektrode wurde eine HG/HgO Elektrode eingesetzt. Unter gleichen Bedingungen wurden die Meßwerte der Kurve nach Fi g. 8 erhalten, wobei die Elektrode jedoch aus geschüttetem Raney-Nickel bestand.

In Fig.9 sind die Strom-Spannungs-Kennlinier. eines Brennstoffelementes nach der Erfindung bei verschiedenen Preßdrücken wiedergegeben. Die Anode bestand aus pulverförmigem Raney-Nickel und die Kathode aus pulverförmigem Raney-Silber. Als Stützgerüst wurde ein grobmaschiges Nickelnetz verwendet. Auf jeder Seite des Stützgerüstet befand sich ein mit Elektrolyt gefülltes, dichtes Asbestdiaphragma. Auf das Asbestdiaphragma folgte jeweils die Katalysatorschüttung und ein feinmaschiges Ableitnetz aus Nickel. Zur Abstandshalterung wurde weiterhin ein grobmaschiges Nickelnetz auf das Ableitnetz aufgelegt. Das Zusammenpressen erfolgte mittels Endplatten, die mit Wasser gefüllte Hohlräume aufwiesen. Als Reaktanten wurden Wasserstoff und Sauerstoff eingesetzt. Die Temperatur betrug 65" C und der Elektrolyt bestand aus 6 η KOH. Bei der Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinien 12, 13, 14 bzw. 15 betrug der Preßdruck 5, 2, I bzw. 0,5 kp/cm-'.

Bei Verwendung eines Druckgases wird man gemäß Fig. IO das Gas vorteilhafterweise aus einer Druckflasche 16 beziehen und über das Reduzierventil 17 in die Druckkissen 18, 19, 20 und 21, zwischen denen sich jeweils ein oder mehrere Brennstoffelemente befinden, einleiten. Mit 22 ist eine Entlüftungsöffnung angedeutet.

Besteht das Druckmedium aus einer Druckflüssigkeit, beispielsweise Wasser, so kann, wie in F i g. 11 gezeigt ist. die Druckflüssigkeit über die verschließbare Öffnung 23 den Druckkissen 24, 25, 26 und 27 zugeführt werden. Mit 28 ist ein Entlüflungsrohr angedeutet und mit 29 ein Druckspeicher, über dessen Feder 30 der Druck eingestellt werden kann.

Die Druckeinstellung kann selbstverständlich auch nach anderen bekannten Verfahren erfolgen, z. B. wie in Fig. 12 über eine handbetätigte Kolbenpumpe. In der schematischen Fig. 12 stellt 31 einen Flüssigkeitsbehälter dar, 32 ein Rückschlagventil und 33 die erwähnte Kolbenpumpe. Mit 34, 35, 36 und 37 sind die zwischen den Brennstoffelementen angebrachten Druckkissen bezeichnet.

Nach einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung kann das Druckmedium, insbesondere die Druckflüssigkeit, auch im Kreislauf geführt werden, wobei das Druckmedium gleichzeitig zur Abführung der Reaktionswärme dient. Eine derartige Ausführung ist in Fig. 13 schematisch wiedergegeben, in der der einstellbare Druckspeicher mit 38, die Umwälzpumpe mit 39 und der Kühler mit 40 bezeichnet sind. Die Druckkissen sind mit den Bezugszeichen 41, 42, 43 und 44 angedeutet.

Durch das neue Preßverfahren ist es nunmehr möglich, jedes Flächenelement der pulverförmigen Elektrode mit dem gleichen Druck zu belasten. Wie in F i g. 3 gezeigt worden ist, können dadurch bei jedem Flächenelement der Elektrode optimale Bedingungen eingestellt werden, so daß die Leistung des Brennstoffelements verbessert wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, daß ein Fließen von Material durch zu starkes Pressen der Kunststoffrahmen weitgehend verhindert wird, wodurch die Betriebsdauer und Betriebssicher-

heit des Brennstoffelements erhöht wird. Um bei dem Betrieb von Brennstoffelementen nach dem bekannten Verfahren auch in der Elektrodenmitie einen Mindestprcßdruck zu garantieren, wurden nämlich bisher die Druckplatten durch die Zugbolzen über den gewünschten Mindestdruck zusammengepreßt, so daß der Kunststoffrahmen überhöhten Druckbelastungen ausgesetzt war, was bei Erkaltung der Rahmen zur Rißbildung führte. Durch das neue Verfahren können derartige überhöhte schädliche Druckbelastungen nunmehr vermieden werden.

Abschließend wird in Fig. 14 noch der Aufbau

eines Brennstoffelementes nach der Erfindung näher beschrieben. Das Stützgerüst des Brennstoffelements besteht aus einem grobmaschigen™ Nickelnetz 45, auf dessen beiden Seiten sich die Asbestdiaphragmen 46 und 47 befinden. Die pulverförmigen Elektroden sind mit 48, 49 und die aus Nickelnetz bestehenden Stromableiter mit 50 und Sl bezeichnet. 52 und 53 sind die als Abslandshalter eingesetzten Nickelnetze, 54 und 55 die beiden Endplatten mit den Druckkissen 56 und 57. Die Zu- und Ableitungen für die Reaktanten, ded Elektrolyten und die Druckmedien sind übersichtlich^ keitshalber nicht eingezeichnet worden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Elektrochemische Zelle, insbesondere Brennstoffelement, mit Elektroden aus pulverförmigem, gegebenenfalls mit Bindemitteln verfestigtem Katalysatormaterial und gleichmäßiger Porenstruktur, welche durch ein mit flüssigem Elek-Kunststoff befestigten Stützgerüstes Schichten aus pulverförmigem Katalysatormateiial anordnet, diese jeweils mit einem oder mehreren Netzen oder Sieben aus Metallen bedeckt und über den Rahmen mittels Druckplatten und Zugbolzen zusammenpreßt, wobei die Netze bzw. Siebe sowohl als Stromableiter als auch als Abstandshalter dienen. Werden nach dem bisherigen Verfahren mehrere Zellen in einer Batterie vereinigt, befinden sich die Druckplatten jeweils an

trolyten gefülltes und beidseitig mit einer füssig- 10 den beiden endständigen Elektroden (deutsche Auslekeitsdurchlässigen, gasdichten Membran versehe- geschrift 1 267 201 und Siemens-Zeitschrift, Band 39, ---■■· Heft 5, S. 453 bis 459, Mai 1965). Aus der deutschen

Auslegeschrift 1 086 768 sind Brennstoffelemente mit

nes Stützgerüst oder durch eine Membran eines Ionenaustauscherharzes getrennt sind, und Mitteln zum Zusammenpressen der Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zusammenpressen aus mit Gas oder Flüssigkeit gefüllten Druckkissen (56, 57) bestehen, die jeweils an der dem Elektrolyten abgewandten Seite der Elektroden (48, 49) angeordnet und von Elektroden aus gekörntem oder pulverförmigem katalvtisch wirksamem Material mit einer Membran aus

festen Ionenaustauschern als Elektrolyt bekannt, wobei die dem Elektrolyten abgewandten Seiten der Elektroden durch je ein mit einer Stromzuführung versehenes elektrisch leitendes Sieb oder Netz be-